电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究

刘晓宁 唐勇军 张永俊

广东工业大学,广州,510006

0 引言

裂解技术因在经济性和质量方面的显著优势,已成为连杆加工发展的必然趋势[1]。裂解技术完全克服了连杆传统制造工艺上的缺点,通过在连杆大头曲轴孔适当位置预制裂解槽,再施加径向裂解力,实现连杆体和盖的脆性断裂剖分。以自然形成的粗糙断裂面实现连杆体和盖的三维精确定位,无须加工[2]。与传统连杆加工技术相比,裂解加工的连杆总生产成本可降低15%～20%,且该工艺可大幅提高产品质量[3]。

在整个裂解工艺中,连杆大头曲轴孔裂解槽加工质量对裂解质量的影响至关重要,是裂解加工成功的前提与关键[4]。大头曲轴孔中心两侧的裂解槽槽深、槽宽应严格一致,尽量减小其几何参数的偏差,保证同时裂开,以获得高质量的断裂面的啮合特性[5-6]。

裂解槽加工最初采用拉削方法,但该工艺由于其固有缺陷现已基本被淘汰。激光加工裂解槽是利用数控激光束进行切割的,其特点是：加工效率高、无工具损耗,但激光加工易在靠近裂解槽处黏附熔渣形成硬质点,造成后续精镗时刀具崩刃;激光对焦繁琐,对焦不精确易导致裂解时出现爆口缺陷;其加工的裂解槽宽度在0.1～0.3mm范围内变化,裂解槽宽度的波动易造成产品质量不稳定;其设备一次性投入价格昂贵且使用维护成本高。

针对裂解槽加工难题,本文提出了一套全新的解决方案,即电火花线切割加工汽车连杆裂解槽技术。

1 连杆裂解加工技术

传统的连杆加工采用分体加工工艺,用铣、拉、磨等方法分别加工连杆体和连杆盖的接合面;粗加工及半精加工连杆体、大头孔、小头孔;精加工连杆盖的定位销孔及连杆体的螺栓孔;装配连杆体与连杆盖,精加工大头孔和小头孔[7]。

连杆裂解加工技术具体工艺过程是：①在连杆毛坯大头孔的断裂线处预先加工出两条对称V形裂解槽,形成初始断裂源;②在裂解专用设备上对连杆大头内孔侧面施加径向力,使裂纹由内孔向外不断扩展直至完全裂解,最终连杆盖从连杆本体上涨断而分离出来;③在裂解专用设备上,再将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位,最后在断裂面完全啮合的条件下,完成螺栓工序及其他后续加工工序[8-9]。连杆传统加工与裂解加工对比示意图如图1所示。

图1 连杆传统加工与裂解加工对比示意图

与传统加工方法相比较,裂解加工使裂解的连杆盖、杆接合面具有完全啮合的交错结构,改善了接合面的接合质量,不需再进行接合面的加工,省去分离面的拉削与磨削等工序,同时简化了连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺,降低了螺栓孔的加工精度要求。此外,减小了连杆总成的大头孔变形,使连杆承载能力、抗剪能力与装配质量大幅度提高。因此,采用连杆裂解工艺具有加工工序少、节省机床设备投资、减小设备占地面积、降低刀具费用、节省能源、提高产品质量、降低生产成本等优点[8,10]。

2 裂解槽线切割加工方法

2.1 裂解槽的参数要求

连杆裂解加工关键技术是加工预制裂解槽、裂解加工连杆大头孔及定扭矩装配螺栓三道核心工序的自动化生产工艺与装配。而连杆大头孔预制裂解槽尺寸、加工方法、加工质量对裂解技术的先进性、实用性以及连杆质量的影响至关重要,是连杆裂解加工成功的基础与前提。

裂解加工技术要求初始裂解槽的应力集中系数很大,以利于裂纹开启,迅速扩展并发生脆性断裂。在一定程度上,裂纹深度与断裂强度成反比,当裂纹大于临界深度时裂纹失稳。但由于裂解后要进行连杆大头孔的精加工,故槽深尺寸不能太大,要综合考虑大头孔精镗、珩磨余量,故槽深 H一般为0.6～0.8mm。且裂解V形槽槽宽越窄、尖角越小越利于裂解,其加工槽宽W在0.1～0.3mm 之间(图2)。此外,大头孔中心两侧的裂解槽深应严格一致,尽量减小槽深的偏差,保证同时裂开,以获得高质量的断裂面。

2.2 裂解槽线切割加工方式

图2 连杆裂解槽示意图

本文提出的线切割加工裂解槽的全新工艺方法具有极高的性价比,其实现方案如图3所示,连杆放置于水平工作台上,靠连杆自重保证其与工作台紧密贴合,此时连杆内孔中心线与水平面垂直;电极丝从连杆大头曲轴孔内穿过,导轮和丝线固定,通过工作台的水平双向运动便可切割出预期的裂解槽。为保证连杆大头曲轴孔中心两侧的裂解槽槽深、槽宽严格一致,采取如下措施：

(1)保证电极丝和机床工作台的位置精度,两者应该为严格的垂直位置关系。

(2)通过专门的夹具使连杆大头曲轴孔下表面与工作台面紧密贴合,以确保大头曲轴孔中心线与电极丝平行。

(3)采用一种欠进给的工作台驱动策略,因为在单侧槽切割过程中,加工周期非常短,如果出现短路现象,一种情况就是工作台进行了回退,但线切割短路回退响应时间较长,整个切槽加工效率会极大降低;另一种更致命的情况是在短路回退被识别之前,工作台已经运动到目标位置点而进行整个切槽过程的原点复位,此时的切槽深度因达不到要求而出现次品。

(4)在保证上述三个条件的基础上,通过专门的软件模块控制工作台的运行轨迹,以实现双侧裂解槽的等深度加工。具体程序控制流程如图4所示。机床首先对各加工参数进行初始化,工作台回到初始原点位置,PLC驱动工作台快速进给,当电极丝与连杆大头曲轴孔内壁接触感知时,CPU存储该初始切割点位置,步进电机继续向前进给并进行累计计数,此时控制系统采用一种欠进给的方式,即工作台的进给速率稍微低于电极丝放电切割的蚀除速率,以牺牲一小部分的切割速度来换取整个切槽过程中的无短路切割效果,保证整个切槽过程顺畅。控制系统可精确判断切割槽的深度是否达到预期值,此时单边切槽任务完成。完成单边槽切割后,工作台快速回退至另一侧初始切割点位置,再重复上述的控制过程,当完成另一侧裂解槽切割后,工作台回复至初始原点位置。至此,双侧完全对称的裂解槽加工全部完成,取出连杆,再循环进行下一件连杆的加工。

图3 连杆裂解槽线切割加工方式

图4 加工控制流程图

3 试验与讨论

3.1 裂解槽线切割加工试验

影响线切割加工裂解槽速度的因素很多,如机床精度、脉冲电源的性能、工作液性能、电极丝和工件材料等,其中脉冲电源参数的影响最大,主要包括间隙电压、加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔等。本试验采用单因素试验法,即在其他各工艺参数不变的情况下,依次改变空载电压、加工电流和脉冲宽度等,分别测出机床单边切割窄槽的加工速度,然后进行试验结果及现象分析。

3.1.1 试验条件

试验原型机采用专门研制的高速走丝线切割机床,选用矩形脉冲波电源,使用φ0.18mm钼丝,试验所用的材料为C70S6BY非调质钢,试件厚度为 6mm,采用乳化工作液(体积分数为12%)。切槽时,钼丝的排丝宽度为200mm,丝速为9m/s。

3.1.2 电参数对工艺指标的影响

本试验关心的工艺指标是切割速度,主要研究电参数对切割速度的影响。将开发的PLC控制系统与普通线切割机床的加工切割效率进行了对比。为方便起见,用E表示长风牌线切割机床,用F表示本文研制的专用连杆切槽机床PLC控制系统。

(1)脉冲宽度对切割速度的影响。加工条件：电流为1挡(1A),电压为80V,脉冲间隔为4倍脉冲宽度。可得到图5所示的工艺规律。从图5可以看出,增大脉冲宽度,两种方式的加工速度均提高。当脉冲宽度提高到32μs后,方式E达到较高的切割率,但方式F切割速度变化不明显;随后,当脉冲宽度提高到40μs,两种方式下的切割率均有所回落。这是由于脉宽的增大,使得单个脉冲能量过大,排屑条件变差,使加工不稳,影响切割速度。

图5 脉冲宽度对切割速度的影响

(2)加工电流对切割速度的影响。加工条件：脉冲宽度为16μs,电压为80V,脉冲间隔为4倍脉冲宽度。图6所示为加工电流对切割速度的影响规律。由图6可以看出,加工电流加大,切割速度提高,同时电极丝损耗也会变大。当加工电流加到1+2+3挡(约2A)时,两种方式切割速度均达到较大值,符合一般金属材料的加工规律。

图6 加工电流对切割速度的影响

(3)加工电压对切割速度的影响。加工条件：脉冲宽度为 16μs,加工电流为1挡,脉冲间隔为4倍脉冲宽度。图7所示为加工电压对切割速度的影响规律。由图7可以看出,随着加工电压的增大,切割速度提高。当加工电压由60V升高到100V时,两种方式下的切割速度有明显提高。这是因为加工电压增大时,放电能量增大,有利于放电产物的排除和消电离,提高了加工稳定性和脉冲利用率。

图7 加工电压对切割速度的影响

(4)脉冲间隔对切割速度的影响。加工条件：脉冲宽度为16μs,加工电流为1挡,加工电压为80V。图8所示为脉冲间隔对切割速度的影响规律。由图8可以看出,方式E下,随着脉冲间隔的减小,切割速度提高。本文设计PLC控制系统脉冲间隔对加工速度的影响不太明显。实际上,脉冲间隔不能太小,也不能太大,否则会使放电间隙来不及充分消电离,或使加工变得不稳定。

图8 脉冲间隔对切割速度的影响

通过试验分析,普通线切割机床的加工效率高于本文设计的PLC控制系统的加工效率,但本文设计的专用控制系统是在欠进给方式下运行的,且加工稳定进行,非常适合于本裂解槽的切割加工。当然,PLC控制系统还需进行深入研究,进一步提高切割效率。在上述总结的最佳工艺参数条件下,稳定地进行了裂解槽切割加工。

3.2 裂解槽底部微裂纹

操作人员发现采用不同工艺参数加工的裂解槽在进行裂解加工时裂解完成时间和裂解力的大小都具有差异性,同时伴随裂解发出的涨断声音也有较大差别,研究发现这是由裂解槽底部的微裂纹特性不同造成的。如表1所示,电火花线切割加工的裂解槽底部微裂纹参数(如微裂纹宽度、深度、长度和微裂纹量的大小等)都与线切割加工工艺参数密切相关,脉冲电源占空比越大,峰值电流、开路电压和实际平均电流越大,出现的微裂纹越多、宽度越大、深度越深。具体分析可知,电源开路电压高低对微裂纹形成的影响非常小,占空比大小是微裂纹形成的一个次要因素,而实际平均电流大小对微裂纹的形成起到决定性作用,采用较大的平均电流加工裂解槽是在裂解槽底生成微裂纹的主要手段,但过大电流会频繁发生断丝现象,而断丝的频繁出现会大大降低切槽效率,极大增加加工成本,增大工人穿丝劳动强度。所以一般选择适当的较大平均电流进行切槽,以获得最优的加工效果。

表1 加工参数与微裂纹的关系

图9为电火花线切割加工的裂解槽SEM照片,加工工艺参数的不同会在槽底出现不同状况微裂纹,本文的研究思路是：通过改变各加工参数而主动控制微裂纹的参数,通过研究微裂纹参数对后续裂解加工的影响,不断改善裂解加工工艺,最终加工出高质量的裂解连杆。

图10为裂解槽底部微裂纹SEM照片,图10a、图10b分别为纵向和横向粗微裂纹,其裂纹宽度达到2μm,图10c为斜向细微裂纹,其裂纹宽度为0.2μm,图10d是在一定加工条件下未出现微裂纹的情况。从图10可看出,在不同的参数条件下,微裂纹的各参数也大不相同。微裂纹特性对后续的裂解加工有重要影响,合理的微裂纹将大大减小裂解力,有利于加工出高质量的裂解连杆。这是因为裂解槽宽度约为0.2mm,而微裂纹的宽度约为0.2～2μm,裂解槽将产生第一次应力集中,微裂纹的存在会出现第二次应力集中,而第二次应力集中系数为第一次应力集中系数的100倍以上甚至更高,将非常有利于开启裂纹,极大减小裂解力,大大提高裂解质量。

图9 加工的裂解槽SEM照片

图10 裂解槽底部微裂纹SEM照片

3.3 裂解加工试验

在总结最佳工艺参数规律的基础上,在连杆大头孔内侧加工出双侧严格对称的初始裂解槽,如图11a所示,裂解槽的深度为0.7mm,宽度为0.2mm,完全满足裂解加工条件。图11b为裂解加工过程的照片,裂解加工顺利完成,图11c为裂解后的连杆照片,裂解加工连杆在掉渣率、啮合度、大头孔塑性变形量等参数方面都完全符合裂解工艺的要求,裂解试验成功说明电火花线切割加工连杆裂解槽的新工艺方法是完全可行的。但偶尔也会发生单边裂开而另一边未裂开的现象。

图11 裂解加工验证试验

3.4 单边裂开现象的讨论

在连杆的裂解加工过程中,如果出现单边裂开的现象就会产生次品,如图12所示,连杆大头的左侧已被完全裂开,而右侧仍未裂开。这种现象带来的主要问题是：连杆的裂解从脆性变形方式转变为塑性变形从而发生撕裂现象,对连杆内孔的圆度产生破坏,同时掉渣现象严重,裂解后的合装效果很差。要解决单边裂开的问题需从以下方面进行考虑：

图12 单边裂开的次品连杆

(1)双边裂解槽的对称性差,造成双边的裂解槽应力集中系数不一致,此问题应该从提高机床的精度着手,特别要提高电极丝和工作台面的垂直度,同时设计专门的自动定位、找正夹具,保证双边裂解槽严格一致;

(2)双侧裂解槽底部的微裂纹特性不一致,一侧有微裂纹而另一侧无微裂纹,或者双侧的微裂纹深度与宽度不一致,此时可通过严格控制电火花线切割工艺参数来解决;

(3)连杆材质不均匀,也会造成单边裂开,如连杆裂开通道处有硬质点或有气孔等缺陷,此时要从提高连杆的锻造工艺出发加以解决;

(4)最后一种补救方法是在双侧裂解槽本来就不完全一致的情况下,对机床结构进行改造,如通过增大裂解背压力、增大裂解执行机构行程等方式来保证连杆被裂开,但此解决方案会带来许多不良后果,如伴随有塑性变形的勉强被裂解,裂解装备成本提高且能耗增大,连杆大头孔塑性变形量大等。

3.5 断丝问题的解决

在试验初期,操作人员由于参数选择不合理,如过大的加工电流、间隙电压,或控制策略不合理导致短路现象过于频繁等,电极丝会经常断裂,大约每加工50～60件连杆就会发生一次断丝。通过采用连杆上下侧同时双点进电方式保证进电充分,进行系统工艺试验,总结出最佳的工艺参数,同时采用欠进给控制策略等途径,将每组电极丝切割的连杆数目提高至2000～3000件,大大提高了加工效率。本研究最终的研究目标为：每组电极丝切割的连杆数目提高至5000件,裂解槽切割加工非常稳定。

4 结束语

本文首次提出了电火花线切割加工连杆裂解槽的全新工艺方法,其具有非常高的性价比,可完全取代昂贵的激光切槽专用机床。在分析裂解槽工艺参数要求的基础上,阐述了电火花线切割加工出高质量裂解槽的保证措施和具体实现方案。研究了脉冲电源参数如间隙电压、加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔等与线切割加工裂解槽速度的关系。观察到裂解槽底部微裂纹现象,分析微裂纹与各加工参数的关系以及微裂纹对后续裂解加工的影响,并提出主动控制微裂纹各参数的新想法。本文还进行了裂解加工试验研究,验证了该新工艺方法加工连杆裂解槽是完全可行的。最后,还进行了单边裂开和断丝现象问题的探讨。该技术无论在设备的首次投入资金方面或单件连杆切槽成本方面都具有显著优势,将为连杆裂解工艺的普及创造极大可能。

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